EP0728298B1 - Verfahren zum erzeugen wenigstens einer ausnehmung in einer oberfläche eines substrats als formbett für eine membran durch trockenätzen - Google Patents

Verfahren zum erzeugen wenigstens einer ausnehmung in einer oberfläche eines substrats als formbett für eine membran durch trockenätzen Download PDF

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EP0728298B1
EP0728298B1 EP94931495A EP94931495A EP0728298B1 EP 0728298 B1 EP0728298 B1 EP 0728298B1 EP 94931495 A EP94931495 A EP 94931495A EP 94931495 A EP94931495 A EP 94931495A EP 0728298 B1 EP0728298 B1 EP 0728298B1
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EP
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substrate
recess
etching
opening
screening device
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Dethard Peters
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Original Assignee
Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S438/942—Masking
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S438/00—Semiconductor device manufacturing: process
    • Y10S438/977—Thinning or removal of substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a Form beds for a membrane.
  • Membranes are used in many technical fields. An important area of application is sensor technology, in which the deflection or vibration of a membrane for measurement a physical quantity is used. Examples of this are the pressure sensors mostly made in silicon or also sound sensors. In all applications is too note that the membrane due to excessive impact or The effects of pressure in the event of overload can be destroyed. This is particularly the case if the membrane consists of a relatively brittle material such as silicon. For overload protection the membrane is usually a shaped bed provided to which the membrane is in the event of an overload can put on.
  • the (100) surface of a silicon substrate by anisotropic wet etching with Potash lye (KOH) has a recess with a trapezoidal shape Profile created.
  • KOH Potash lye
  • a second way of producing such shaped beds consists of several, executed one after the other Lithography steps with photoresist masks increasing Diameter in a recess with a stepped profile to produce a silicon substrate.
  • the lithography steps can be the profile of the recess be approximated to a smooth course (WO 90/04701, in particular FIG. 3).
  • levels always remain which are problematic because of their notch effect.
  • a mold bed can also be produced with gray area lithography will.
  • This third procedure is for the substrate needs a mask with a gray area that becomes lighter towards the center of the desired recess. In lithography, this is done under suitable exposure conditions a lacquer profile with decreasing towards the center Thickness. During the subsequent etching of the substrate the paint mask retreats and gives more and more substrate surfaces free.
  • a disadvantage of this manufacturing process is that the retraction of the paint mask at best up to a size of 10 to 20 ⁇ m leaves. The method is therefore not applicable if the diameter of the shaped bed should be much larger than its depth.
  • a fourth way to make the mold bed is mechanical processing of the substrate by turning, Milling, grinding, polishing or blasting.
  • the precision this method is inadequate for profile depths of a few ⁇ m.
  • etching processes are known which are referred to as dry etching.
  • the characteristic feature of such dry etching processes is the chemical reaction of radicals or ions of an etching gas with the substrate surface to form a volatile reaction product.
  • the chemical reaction can be spontaneous, ion-, electron- or photon-induced.
  • the etching gas radicals are generally generated in a low-pressure plasma, typically between 10 -1 and 10 3 Pa. In these cases, reactive dry etching is therefore often referred to as plasma etching.
  • the plasma can be generated by an electromagnetic high-frequency field, which is either applied to electrodes or supplied directly as microwaves.
  • Several types of plasma reactors are known for carrying out the dry etching process.
  • All types have a recipient in which the substrate to be etched is arranged and which is provided with connections for evacuating and supplying the etching gas.
  • a hollow cylindrical, perforated shield is provided within a housing, which preferably consists of quartz, which forms a tunnel.
  • the shield is surrounded by electrodes which are approximately semicircular in cross section. An electromagnetic high-frequency field is applied to the electrodes with the aid of a high-frequency generator.
  • the substrate to be etched is arranged on the so-called boat within the shield. The shielding ensures that no charged particles (electrons, ions) reach the substrate.
  • the substrate is arranged on the flat surface of an electrode arranged in the recipient.
  • the electrode with the substrate can now be grounded and a further flat electrode can be arranged parallel to the electrode with the substrate in the recipient, which is electrically connected to the high-frequency generator.
  • the electrode with the substrate itself is connected to the high-frequency generator and the second electrode is grounded.
  • the recipient's housing can also be grounded and thus be provided as a second electrode.
  • the gas radicals are generated in a plasma space by means of microwaves and passed via a feed line into an etching chamber in which the substrate to be etched is arranged.
  • the invention is based on the object of a method for producing a shaped bed for a membrane specify.
  • the recess should precise in their depth and in their lateral dimensions and be reproducibly adjustable and a smooth Show depth profile.
  • the first step is the substrate surface to be etched the pinhole device put on or applied.
  • the pinhole device covers the area of the substrate surface in which the recess is to be created.
  • the pinhole device form and the substrate surface has a cavity, that only through an opening in the pinhole device is connected to the reaction space.
  • the etching radicals present in the reaction space during the etching only through the opening in the pinhole device to the area of the substrate surface to be etched reach.
  • this increases the etching rate in this caustic area depending on location.
  • the etching rate is on, moving largely in a straight line a location within the surface area to be etched in good approximation proportional to the solid angle at which one from this place on the surface through the reaction space can see the opening of the pinhole device.
  • the Etch rate is at a center of the surface area to be etched directly below the opening of the pinhole device maximum and takes outward towards the edges ever further.
  • FIG. 1 shows a substrate with 8, its surface with 9, an area of the surface 9 with 90, one in this area 90 lying recess in the surface 9 with 10, a point on the bottom of this recess 10 with P, a pot-like pinhole device with 5 with a base-like Side part 5a and a cover part 5b, an opening in this pinhole device in the cover part 5b with 6, the diameter of this opening with D, that of the thickness of the cover part 5b corresponding depth of this opening 6th with b, a central axis of the opening 6 with M, the distance the opening 6 from the surface 9 of the substrate 8 with a, one of the pinhole device 5 and the substrate surface 9 enclosed cavity with 11, one beyond of the cavity 11 lying on the other side of the opening 6 Reaction space with 4 and one from point P through the opening 6 seen solid angle section designated A.
  • the pinhole device 5 is up to the opening 6 closed and open at the bottom. With your the base part 5a which is closed all around is the pinhole device 5 onto the surface 9 of the substrate 8 either put on in prefabricated form or by growing up and structuring corresponding layers applied and is usually after creating the recess removed again.
  • the embodiment is the substrate surface to be etched 8 flat and the opening 6 in the applied Pinhole device 5 is parallel to surface 9 directed.
  • the shape of the opening 6 is now transferred to defines fuzzy shape on the shape of the generated Recess 10.
  • a rectangular Opening 6, the recess 10 is substantially rectangular and with a circular opening 6 essentially also be circular.
  • the surface 9 of the substrate 8 can also be arbitrarily curved.
  • the pinhole device 5 is then adjust according to the surface 9.
  • the opening 6 can also be inclined to the surface 9 of the substrate 8.
  • An asymmetrical depth profile of the recess is then obtained 10th
  • r 0 is the maximum radius of the recess 10 in relation to the central axis M of the opening 6 of the perforated aperture device 5 which has already been removed and is therefore no longer shown in FIG. 2.
  • the maximum radius r 0 is dependent on the diameter D, the depth b of the opening 6 and their distance a from the surface 9 of the substrate 8.
  • the lateral edge of the cavity 11, which is defined by the side walls of the pinhole device 5, is closer to the central axis M in a radial direction than the maximum radius r 0 , this breaks Depth profile at this point on the edge.
  • the actual radius of the recess 10 is then only as large as the distance between the cavity edge and the center axis M denoted by R.
  • the recess 10 has its maximum depth t 0 along the center axis M. This maximum depth t 0 can be set by the etching time.
  • etching gas radicals react chemically the material of the substrate 8 to form a gaseous, volatile reaction product.
  • Halogen compounds as etching gas due to the high reactivity halogen radicals, especially fluorine and chlorine radicals, used.
  • All substrate materials can be etched, for which there are suitable etching gases.
  • substrate materials such as Silicon (Si), Germanium (Ge) or silicon carbide (SiC) provided.
  • substrates 8 can also be used be etched from metals or insulators.
  • the etching gas radicals are particularly advantageous Embodiment generated in a low pressure plasma. Under Low pressure becomes a pressure of 0.01 to 1000 Pa and preferably understood 0.1 to 100 Pa.
  • the low pressure plasma can in a separate from the reaction space 4 Plasma chamber are generated.
  • the resulting etching gas radicals are then via a gas line in the reaction chamber 4 headed. In another embodiment, this is Low pressure plasma directly inside the reaction space 4 generated.
  • any known plasma reactor can be used.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a device to carry out the process with a parallel plate reactor illustrated.
  • a recipient 2 there are two parallel plates arranged as electrodes 30 and 31.
  • the reaction space lies between the electrodes 30 and 31 4.
  • the substrate 8 is on the lower electrode 30 the pinhole device 5 arranged.
  • the pinhole device 5 is usually before the introduction of the Substrate 8 in the recipient 2 on the substrate 8 as Whole set up.
  • the electrode 30 with the substrate 8 is via a capacitor to a high-frequency generator 23 connected, the other electrode 31 and the housing of the Recipients 2 are grounded.
  • a suction port 22 the recipient 2 is evacuated and via a feed nozzle 21 charged with etching gas.
  • FIG. 4 and 5 a particularly advantageous embodiment of an apparatus for carrying out the method is shown in a plan view or in cross section.
  • An etching protection layer 14 is applied to the surface 9 of the substrate 8.
  • This etching protection layer 14 was structured in such a way that a circular etching area 91 of the surface 9 with a radius r 1 is exposed and preferably four alignment marks 15 are produced in a radially symmetrical manner with respect to the etching area 91.
  • a cylindrically symmetrical pinhole device 5 is now placed on the etching protection layer 14 like an inverted cylinder pot.
  • This cylinder pot can be made of aluminum, for example, as a turned part.
  • the opening 6 is provided, which is circular and whose central axis M is equal to the cylinder axis of the cylinder pot.
  • the pinhole device 5 is now adjusted with the aid of the alignment marks 15, for example by hand under a microscope, in such a way that the central axis M of its opening 6 runs perpendicularly through the center of the circular etching area 91.
  • the edge of the recess 10 is precisely defined by the etching area 91 formed in the etching protection layer 14.
  • the etching protection layer 14 can be removed again after the pinhole device 5 has been lifted off.
  • an etching protection layer 14 made of SiO 2 is suitable, for example.
  • the substrate 8 can subsequently be completely stripped with buffered hydrofluoric acid.
  • Typical dimensions of the recess 10 are preferably approximately 10 ⁇ m to 1 mm for their lateral dimensions, in particular r 0 or r 1 or R, and preferably approximately 5 ⁇ m to 50 ⁇ m for their maximum depth t 0 .
  • a pinhole device 5 is provided with a plurality of openings will.
  • the depth profile of the recess 10 results then as an overlap (folding integral) of the individual profiles for the individual openings 6 if the openings 6 are close enough together. If the distances of the Openings 6 are sufficiently large to each other, can with this pinhole device 5 has a plurality of recesses 10 with the individual depth profiles of the corresponding openings 6 are generated. It is also possible to have several Pinhole devices 5 on a surface 9 of a Place or apply substrate 8 side by side.
  • metals such as aluminum (Al), iron (Fe), nickel (Ni), titanium (Ti), molybdenum (Mo) or chrome (Cr).

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Abstract

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird auf das Substrat (8) eine Lochblendeneinrichtung (5) mit einer Öffnung (6) aufgesetzt, wobei die Lochblendeneinrichtung (5) und der zu ätzende Bereich (90) der Substratoberfläche (9) einen Hohlraum (11) bilden, der nur über die Öffnung (6) mit einem Reaktionsraum (4) verbunden ist. Mit Hilfe von in dem Reaktionsraum erzeugten Ätzradikalen wird die Ausnehmung (10) in der Substratoberfläche erzeugt. Man erhält so eine Ausnehmung (10) mit einem glatten und exakt einstellbaren Tiefenprofil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Formbetts für eine Membran.
In vielen technischen Gebieten werden Membrane eingesetzt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Sensorik, bei der die Auslenkung oder Schwingung einer Membran zum Messen einer physikalischen Größe ausgenutzt wird. Beispiele dafür sind die meist in Silizium gefertigten Drucksensoren oder auch Schallsensoren. In allen Anwendungen ist zu beachten, daß die Membran durch zu große Stoß- oder Druckeinwirkungen bei Überlast zerstört werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Membran aus einem relativ spröden Material wie Silizium besteht. Zur Überlastsicherung der Membran wird in der Regel ein Formbett vorgesehen, an das sich die Membran im Überlastfall anlegen kann.
Es sind einige Verfahren zum Herstellen solcher Formbetten bekannt, bei denen in einer ebenen Oberfläche eines Substrats eine Ausnehmung erzeugt wird.
Bei einem ersten Verfahren wird in der (100)-Oberfläche eines Siliziumsubstrats durch anisotropes Naßätzen mit Kalilauge (KOH) eine Ausnehmung mit einem trapezförmigen Profil erzeugt. Im Überlastfall legt sich die Membran im mittleren Bereich des flachen Bodens der Ausnehmung an. Die Stützfunktion des Formbettes kann daher nur in diesem kleinen mittleren Bereich wirken, so daß die Membran bei weiterer Beanspruchung zerstört werden kann.
Eine zweite Möglichkeit zum Herstellen solcher Formbetten besteht darin, durch mehrere, hintereinander ausgeführte Lithographieschritte mit Photolackmasken zunehmenden Durchmessers eine Ausnehmung mit treppenförmigem Profil in einem Siliziumsubstrat zu erzeugen. Durch Erhöhen der Anzahl der Lithographieschritte kann das Profil der Ausnehmung einem glatten Verlauf angenähert werden (WO 90/04701, insbesondere FIG. 3). Jedoch bleiben immer Stufen bestehen, die wegen ihrer Kerbwirkung problematisch sind. Außerdem ist das Verfahren wegen der vielen Prozeßschritte aufwendig und erfordert eine genaue Justierung der Ätzmasken bei jedem Lithographieschritt.
Auch mit Graubereichslithographie kann ein Formbett hergestellt werden. Bei diesem dritten Verfahren wird für das Substrat eine Maske mit einer Grauzone benötigt, die zum Zentrum der gewünschten Ausnehmung hin heller wird. Bei der Lithographie entsteht so unter geeigneten Belichtungsbedingungen ein Lackprofil mit zum Zentrum hin abnehmender Dicke. Beim anschließenden Ätzen des Substrats weicht die Lackmaske zurück und gibt immer mehr Substratflächen frei. Ein Nachteil dieses Herstellungsverfahrens liegt darin, daß das Zurückweichen der Lackmaske sich bestenfalls bis zu einer Größe von 10 bis 20 µm realisieren läßt. Damit ist das Verfahren nicht anwendbar, wenn der Durchmesser des Formbetts wesentlich größer sein soll als seine Tiefe.
Eine vierte Möglichkeit zum Herstellen des Formbetts ist das mechanische Bearbeiten des Substrats durch Drehen, Fräsen, Schleifen, Polieren oder Strahlen. Die Präzision dieser Verfahren ist bei Profiltiefen von einigen µm unzureichend.
Zum Ätzen von Substratoberflächen sind Ätzverfahren bekannt, die als Trockenätzen bezeichnet werden. Das charakteristische Merkmal solcher Trockenätzprozesse ist die chemische Reaktion von Radikalen oder Ionen eines Ätzgases mit der Substratoberfläche unter Bildung eines flüchtigen Reaktionsproduktes. Die chemische Reaktion kann spontan, ionen-, elektronen- oder photoneninduziert sein. Die Ätzgasradikale werden im allgemeinen in einem Niederdruckplasma typischerweise zwischen 10-1 und 103 Pa erzeugt. Das reaktive Trockenätzen wird in diesen Fällen deshalb oft auch als Plasmaätzen bezeichnet. Das Plasma kann durch ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt werden, das entweder an Elektroden angelegt oder direkt als Mikrowellen zugeführt wird. Zur Durchführung des Trockenätzprozesses sind mehrere Plasma-Reaktortypen bekannt. Alle Typen haben einen Rezipienten, in dem das zu ätzende Substrat angeordnet wird und der mit Anschlüssen zum Evakuieren und zum Zuführen des Ätzgases versehen ist. Bei einem ersten Reaktortyp, dem sogenannten Tunnelreaktor (Barrel reactor), ist innerhalb eines Gehäuses, das vorzugsweise aus Quarz besteht, eine hohlzylindrische, perforierte Abschirmung vorgesehen, die einen Tunnel bildet. Auf einander gegenüberliegenden Seiten ist die Abschirmung von im Querschnitt etwa halbkreisförmigen Elektroden umgeben. An die Elektroden wird mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld angelegt. Innerhalb der Abschirmung ist auf einem sogenannten Boot das zu ätzende Substrat angeordnet. Die Abschirmung bewirkt, daß keine geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen) an das Substrat gelangen. Bei einem zweiten Reaktortyp wird das Substrat auf der ebenen Oberfläche einer in dem Rezipienten angeordneten Elektrode angeordnet. Es kann nun in einer ersten bekannten Ausführungsform die Elektrode mit dem Substrat geerdet sein und eine weitere ebene Elektrode parallel zu der Elektrode mit dem Substrat in dem Rezipienten angeordnet sein, die elektrisch mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden ist. In einer anderen bekannten Ausführungsform ist die Elektrode mit dem Substrat selbst an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen und die zweite Elektrode geerdet. Es kann allerdings auch das Gehäuse des Rezipienten geerdet sein und somit als zweite Elektrode vorgesehen sein. Bei einem dritten Reaktortyp werden die Gasradikale in einem Plasmaraum mittels Mikrowellen erzeugt und über eine Zuleitung in eine Ätzkammer geleitet, in der das zu ätzende Substrat angeordnet ist. Eine Übersicht über diese und weitere bekannte Reaktortypen sowie verschiedene Ausführungsformen von Trockenätzverfahren gibt das Buch von Landolt-Börnstein: "Numerical Data and Functional Relationsship in Science & Technology Group 3 -Chrystal & Solid State Physics, Vol. 17, Semiconductors, Subvolume c, Technology of Si, Ge und SiC", Tokyo 1984, Springer-Verlag, Seiten 319 bis 321, 326 bis 328 und 566 und 567.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines Formbetts für eine Membran anzugeben. Dabei soll die Ausnehmung in ihrer Tiefe und in ihren lateralen Abmessungen präzise und reproduzierbar einstellbar sein und ein glattes Tiefenprofil aufweisen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. In einem Trockenätzprozeß wird zunächst auf die zu ätzende Substratoberfläche die Lochblendeneinrichtung aufgesetzt oder aufgebracht. Die Lochblendeneinrichtung deckt den Bereich der Substratoberfläche ab, in dem die Ausnehmung zu erzeugen ist. Dabei bilden die Lochblendeneinrichtung und die Substratoberfläche einen Hohlraum, der nur über eine Öffnung in der Lochblendeneinrichtung mit dem Reaktionsraum verbunden ist. Somit können die während des Ätzens in dem Reaktionsraum vorhandenen Ätzradikale nur noch durch die Öffnung in der Lochblendeneinrichtung zu dem zu ätzenden Bereich der Substratoberfläche gelangen. Damit wird jedoch die Ätzrate in diesem zu ätzenden Bereich ortsabhängig. Da sich die Ätzradikale weitgehend geradlinig bewegen, ist die Ätzrate nämlich an einem Ort innerhalb des zu ätzenden Oberflächenbereichs in guter Näherung proportional zum Raumwinkel, unter dem man von diesem Ort auf der Oberfläche den Reaktionsraum durch die Öffnung der Lochblendeneinrichtung sehen kann. Die Ätzrate ist in einem Zentrum des zu ätzenden Oberflächenbereichs direkt unterhalb der Öffnung der Lochblendeneinrichtung maximal und nimmt nach außen zu den Rändern hin immer weiter ab. Dabei überträgt sich die glatte, d.h. stetig differenzierbare, Änderung des Raumwinkels direkt auf die Ätzrate und damit auf das Ätzprofil. Es entsteht somit eine Ausnehmung mit einem glatten, weichen Ätzprofil.
Vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
FIG 1
ein Substrat mit aufgesetzter Lochblendeneinrichtung im Querschnitt,
FIG 2
das Tiefenprofil eine Ausnehmung in der Substratoberfläche nach Entfernen der Lochblendeneinrichrung,
FIG 3
eine Ausführungsform einer Trockenätzvorrichtung zum Erzeugen einer Ausnehmung in dem Substrat und
FIG 4 und 5
eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit einer zylindrischen Lochblendeneinrichtung und einer Ätzschutzschicht auf dem Substrat in der Draufsicht bzw. im Querschnitt
schematisch dargestellt sind. Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In der FIG 1 sind ein Substrat mit 8, seine Oberfläche mit 9, ein Bereich der Oberfläche 9 mit 90, eine in diesem Bereich 90 liegende Ausnehmung in der Oberfläche 9 mit 10, ein Punkt auf dem Boden dieser Ausnehmung 10 mit P, eine topfartige Lochblendeneinrichtung mit 5 mit einem sockelartigen Seitenteil 5a und einem Deckelteil 5b, eine Öffnung in dieser Lochblendeneinrichtung in dem Deckelteil 5b mit 6, der Durchmesser dieser Öffnung mit D, die der Dicke des Deckelteils 5b entsprechende Tiefe dieser Öffnung 6 mit b, eine Mittelachse der Öffnung 6 mit M, der Abstand der Öffnung 6 von der Oberfläche 9 des Substrats 8 mit a, ein von der Lochblendeneinrichtung 5 und der Substratoberfläche 9 eingeschlossener Hohlraum mit 11, ein jenseits des Hohlraums 11 auf der anderen Seite der Öffnung 6 liegender Reaktionsraum mit 4 und ein von dem Punkt P durch die Öffnung 6 gesehener Raumwinkelausschnitt mit A bezeichnet. Die Lochblendeneinrichtung 5 ist oben bis auf die Öffnung 6 geschlossen und nach unten offen. Mit ihrem ringsum geschlossenen Sockelteil 5a ist die Lochblendeneinrichtung 5 auf die Oberfläche 9 des Substrats 8 entweder in vorgefertigter Form aufgesetzt oder durch Aufwachsen und Strukturieren entsprechender Schichten aufgebracht und wird in der Regel nach dem Erzeugen der Ausnehmung wieder entfernt. In der dargestellten vorteilhaften Ausführungsform ist die zu ätzende Substratoberfläche 8 eben und die Öffnung 6 in der aufgebrachten Lochblendeneinrichtung 5 ist parallel zur Oberfläche 9 gerichtet. Die Gestalt der Öffnung 6 überträgt sich nun in definiert unscharfer Form auf die Gestalt der erzeugten Ausnehmung 10. Beispielsweise wird bei einer rechteckigen Öffnung 6 die Ausnehmung 10 im wesentlichen rechteckig und bei einer kreisrunden Öffnung 6 im wesentlichen auch kreisrund sein.
Die Oberfläche 9 des Substrats 8 kann allerdings auch beliebig gekrümmt sein. Die Lochblendeneinrichtung 5 ist dann entsprechend der Oberfläche 9 anzupassen. Die Öffnung 6 kann auch zur Oberfläche 9 des Substrats 8 geneigt sein. Man erhält dann ein asymmetrisches Tiefenprofil der Ausnehmung 10.
Durch einen einfliegenden Strom von Ätzgasradikalen aus dem Reaktionsraum 4 durch die Öffnung 6 zur Oberfläche 9 entsteht nun während des Trockenätzprozesses in der dargestellten Ausführungsform eine Ausnehmung 10 in der Substratoberfläche 9, deren Tiefenprofil t(r) in sehr guter Näherung der Durchbiegung einer Membran entspricht.
Dieses Tiefenprofil t(r) ist für eine kreisrunde Ausnehmung 10 in der FIG 2 nochmal näher dargestellt. Es kann durch die Gleichung vierter Ordnung t(r) = t0 ((r/r0)2-1)2 beschrieben werden. r0 ist der maximale Radius der Ausnehmung 10 bezogen auf die Mittelachse M der Öffnung 6 der bereits entfernten und daher in FIG 2 nicht mehr dargestellten Lochblendeneinrichtung 5. Der maximale Radius r0 ist abhängig von dem Durchmesser D, der Tiefe b der Öffnung 6 und ihrem Abstand a von der Oberfläche 9 des Substrats 8. Falls nun der seitliche Rand des Hohlraums 11, der von den Seitenwänden der Lochblendeneinrichtung 5 bestimmt ist, in einer radialen Richtung näher an der Mittelachse M liegt als der maximale Radius r0, so bricht das Tiefenprofil an dieser Stelle des Randes ab. Der tatsächliche Radius der Ausnehmung 10 ist dann nur so groß wie der mit R bezeichnete Abstand des Hohlraumrands von der Mittelachse M. Ihre maximale Tiefe t0 hat die Ausnehmung 10 entlang der Mittelachse M. Diese maximale Tiefe t0 ist durch die Ätzzeit einstellbar.
Zum Ätzen der Ausnehmung 10 ist in allen Ausführungsformen das Bereitstellen von Ätzgasradikalen in dem Reaktionsraum 4 notwendig. Diese Ätzgasradikale reagieren chemisch mit dem Material des Substrats 8 unter Bildung eines gasförmigen, flüchtigen Reaktionsprodukts. Typischerweise werden Halogenverbindungen als Ätzgas wegen der hohen Reaktivität der Halogenradikale, insbesondere der Fluor- und Chlorradikale, verwendet. Ätzbar sind alle Substratmaterialien, für die es geeignete Ätzgase gibt. Vorzugsweise werden als Materialien für das Substrat 8 Halbleitermaterialien wie Silicium (Si), Germanium (Ge) oder auch Siliciumcarbid (SiC) vorgesehen. Es können allerdings auch Substrate 8 aus Metallen oder Isolatoren geätzt werden.
Die Ätzgasradikale werden in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform in einem Niederdruckplasma erzeugt. Unter Niederdruck wird dabei ein Druck von 0,01 bis 1000 Pa und vorzugsweise 0,1 bis 100 Pa verstanden. Das Niederdruckplasma kann in einer von dem Reaktionsraum 4 getrennten Plasmakammer erzeugt werden. Die entstandenen Ätzgasradikale werden dann über eine Gasleitung in den Reaktionsraum 4 geleitet. In einer anderen Ausführungsform wird das Niederdruckplasma direkt innerhalb des Reaktionsraumes 4 erzeugt.
Zum Erzeugen des Niederdruckplasmas und damit der Ätzgasradikale ist prinzipiell jeder bekannte Plasmareaktor verwendbar. Eine Übersicht über die gängigen Reaktort In gibt das Buch von Landolt und Börnstein, a.a.O., das als in die Offenbarung der hier vorliegenden Anmeldung miteinbezogen gelten soll.
In der FIG 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Parallelplattenreaktor veranschaulicht. In einem Rezipienten 2 sind zwei parallele Platten als Elektroden 30 und 31 angeordnet. Zwischen den Elektroden 30 und 31 liegt der Reaktionsraum 4. Auf der unteren Elektrode 30 wird das Substr 8 mit der Lochblendeneinrichtung 5 angeordnet. Die Lochblendeneinrichtung 5 wird in der Regel vor dem Einbringen des Substrats 8 in den Rezipienten 2 auf das Substrat 8 als Ganzes aufgesetzt. Die Elektrode 30 mit dem Substrat 8 ist über einen Kondensator an einen Hochfrequenzgenerator 23 angeschlossen, die andere Elektrode 31 und das Gehäuse des Rezipienten 2 sind geerdet. Über einen Saugstutzen 22 wird der Rezipient 2 evakuiert und über einen Zuführstutzen 21 mit Ätzgas beschickt. Es wird ein bestimmter niedriger Druck eingestellt, der im allgemeinen so klein ist, daß die mittlere freie Weglänge der in dem Reaktionsraum 4 erzeugten Ätzgasradikale größer ist als der Abstand a der Öffnung 6 zur Substratoberfläche 9 und zumindest so groß, daß die Ätzgasradikale den Hohlraum 11 zur Oberfläche 9 durchqueren können.
In den FIG. 4 und 5 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einer Draufsicht bzw. im Querschnitt dargestellt. Auf die Oberfläche 9 des Substrats 8 ist eine Ätzschutzschicht 14 aufgebracht. Diese Ätzschutzschicht 14 wurde derart strukturiert, daß ein kreisrunder Ätzbereich 91 der Oberfläche 9 mit Radius r1 freigelegt ist und vorzugsweise vier Justiermarken 15 radialsymmetrisch zum Ätzbereich 91 erzeugt sind. Es wird nun eine zylindersymmetrische Lochblendeneinrichtung 5 wie ein umgestülpter Zylindertopf auf die Ätzschutzschicht 14 aufgesetzt. Dieser Zylindertopf kann als Drehteil beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. In dem Boden des Zylindertopfes ist die Öffnung 6 vorgesehen, die kreisrund ausgebildet ist und deren Mittelachse M gleich der Zylinderachse des Zylindertopfes ist. Die Lochblendeneinrichtung 5 wird nun mit Hilfe der Justiermarken 15 beispielsweise von Hand unter einem Mikroskop so justiert, daß die Mittelachse M ihrer Öffnung 6 senkrecht durch den Mittelpunkt des kreisrunden Ätzbereichs 91 verläuft. In dieser Ausführungsform wird der Rand der Ausnehmung 10 genau durch den in der Ätzschutzschicht 14 gebildeten Ätzbereich 91 definiert.
Das Ätztiefenprofil wird für einen Radius r1 < r0 damit an dem Rand des Ätzbereichs 91 senkrecht abgeschnitten, d.h. es gilt t(r) = t0 ((r/r0)2-1)2 für r < r1 und t(r) = 0 für r ≥ r1. Die Ätzschutzschicht 14 kann nach dem Abheben der Lochblendeneinrichtung 5 wieder entfernt werden. Bei einem Substrat 8 aus Si ist beispielsweise eine Ätzschutzschicht 14 aus SiO2 geeignet. Das Substrat 8 kann mit gepufferter Flußsäure hinterher restlos entschicht werden.
Typische Abmessungen der Ausnehmung 10 betragen vorzugsweise etwa 10 um bis 1 mm für ihre lateralen Abmessungen, insbesondere r0 oder r1 oder R, und vorzugsweise etwa 5 µm bis 50 um für ihre maximale Tiefe t0.
Es kann auch in einer nicht dargestellten Ausführungsform eine Lochblendeneinrichtung 5 mit mehreren Öffnungen vorgesehen werden. Das Tiefenprofil der Ausnehmung 10 ergibt sich dann als Überlappung (Faltungsintegral) der Einzelprofile für die einzelnen Öffnungen 6, wenn die Öffnungen 6 nahe genug beieinander liegen. Wenn die Abstände der Öffnungen 6 zueinander hinreichend groß sind, können mit dieser Lochblendeneinrichtung 5 mehrere Ausnehmungen 10 mit den Einzeltiefenprofilen der entsprechenden Öffnungen 6 erzeugt werden. Außerdem ist es auch möglich, mehrere Lochblendeneinrichtungen 5 auf eine Oberfläche 9 eines Substrats 8 nebeneinander aufzusetzen oder aufzubringen.
Als Material für die Lochblendeneinrichtung 5 sind vorzugsweise Metalle zu wählen wie beispielsweise Aluminium (Al), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Titan (Ti), Molybdän (Mo) oder auch Chrom (Cr).

Claims (12)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines Formbetts für eine Membran mit folgenden Merkmalen:
    a) In einem Reaktionsraum (4) wird ein Substrat (8) angeordnet;
    b) in einer Oberfläche (9) des Substrats (8) wird durch Trockenätzen eine Ausnehmung (10) erzeugt, indem
    b1) auf die Oberfläche (9) des Substrats (8) eine Lochblendeneinrichtung (5) mit wenigstens einer Öffnung (6) derart aufgesetzt oder aufgebracht wird, daß nach dem Aufsetzen bzw. Aufbringen zwischen dem Bereich (90) der Oberfläche (9), in dem die Ausnehmung (10) zu erzeugen ist, und der Lochblendeneinrichtung (5) ein Hohlraum (11) entsteht, der nur über die Öffnung (6) mit dem Reaktionsraum (4) verbunden ist, und ferner
    b2) in dem Reaktionsraum (4) Ätzgasradikale eingebracht sind, die chemisch mit dem Material des Substrats (8) unter Bildung eines flüchtigen Reaktionsprodukts reagieren können;
    c) das Substrat (8) mit der Ausnehmung (10) in seiner Oberfläche (9) wird als Formbett für die Membran verwendet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf die Oberfläche (9) des Substrats (8) eine Ätzschutzschicht (14) aufgebracht wird und diese Ätzschutzschicht (14) in einem Ätzbereich (91) der Oberfläche (9), in dem die Ausnehmung (10) zu erzeugen ist, vor dem Aufbringen der Lochblendeneinrichtung (5) wieder entfernt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in der Ätzschutzschicht (14) zusätzlich Justiermarken (15) zum Justieren der Lochblendeneinrichtung (5) erzeugt werden.
  4. Verfahren nach einem der vcrhergehenden Ansprüche, bei dem daß ein Substrat (8) aus einem Halbleitermaterial vorgesehen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ätzgasradikale in einem Niederdruckplasma erzeugt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lochblendeneinrichtung (5) in vorgefertigter Form auf die Oberfläche (9) des Substrats (8) aufgesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei cem die Membran als Teil eines Drucksensors vorgesehen ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Öffnung (6) der Lochblendeneinrichtung (5) nach dem Aufbringen der Lochblendeneinrichtung (5) in einen vorgegebenen Abstand (a) parallel zum Bereich (90) der Oberfläche (9), in dem die Ausnehmung (10) zu erzeugen ist, angeordnet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Öffnung (6) nach dem Aufbringen der Lochblendeneinrichtung (5) über einer Mitte des Bereichs (90) zu liegen kommt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Lochblendeneinrichtung (5) die Gestalt eines Zylindertopfes hat, die Öffnung (6) kreisförmig ausgebildet ist und die Mittelachse (M) der Öffnung (6) mit der Zylinderachse des Zylindertopfes zusammenfällt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Öffnung (6) von rechteckiger Gestalt ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem eine Lochblendeneinrichtung (5) aus einem Metall verwendet wird.
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